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干法等离子刻蚀技术

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-05-27
在众多半导体工艺中,刻蚀是决定特征尺寸的核心工艺技术之--,要在Si衬底上获得一定的结构就需要刻蚀工艺。刻蚀工艺的目的是将胶层掩模上的图形尽可能精确地转移到下面的硅片上。结构尺寸越小,对刻蚀工艺的要求也就越高。-方面要求高度的各向异性,另一方面要求很高的选择性和均匀性。在实际生产过程中还要从生产效率的角度考虑,要求提高刻蚀速率。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀。

干法刻蚀以等离子体技术为基础。这种方法是将被加工的晶片置于等离子体中,在带有刻蚀性并有一定能量离子的轰击下,反应生成气态物质,去除被刻材料。包括除等离子体刻蚀外的其他物理和化学加工方法,例如,激光加工、火花放电加工、化学蒸气加工,以及喷粉加工等。这些干法加工技术中,反应离子刻蚀技术应用最广泛,也是微纳米加工能力最强的技术。干法刻蚀具有各向异性和控制精确等优点;但设备昂贵,过程复杂,单片成本较高。

干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。以等离子体形式存在的气体,具有两个特点:一个是,等离子体中的这些气体化学活性比常态下时要强很多,根据被刻蚀材料的不同选择合适的气体,就可以更快地与材料进行反应,达到刻蚀去除的目的;另一个是,可以利用电场对等离子体进行引导和加速,使其具备--定能量,当其轰击被刻蚀物的表面时,将被刻蚀物的原子击出,从而达到利用物理上的能量转移实现刻蚀的目的。因此,干法刻蚀是晶圆片表面物理和化学两种过程平衡的结果。干法刻蚀又分为物理性刻蚀、化学性刻蚀和物理化学性刻蚀。

物理性刻蚀又称为溅射刻蚀,它是利用辉光放电将气体如氩气电离成带正电的离子,在低压(0.13~13Pa)中加偏压将离子加速轰击基片表面,通过高能惰性气体离子和基片表面原子间的能量交换达到去除被刻蚀材料原子的目的。离子刻蚀具有纯度高,定向性、均匀性和重复性好的特点,有很高的刻蚀分辨率(0.01μm),并可通过对离子人射角的控制实现对刻蚀剖面的控制。缺点是:刻蚀速度慢,刻蚀选择性差,刻蚀时会产生再淀积现象。这种极端的刻蚀方法方向性很强,可以做到各向异性刻蚀,但不能进行选择性刻蚀。

化学性刻蚀利用等离子体中的化学活性原子团与被刻蚀材料发生化学反应,从而达到刻蚀目的。在低压(13~1300Pa)下对气体施加高频电场时,气体原子或分子与具有一定能量的电子发生碰撞,电离产生由离子、电子及中性原子和分子组成的等离子体。这种低温等离子体的电离度小,相当部分是处于激发态的原子和分子,具有很强的化学活性,当与被刻蚀物接触时,发生化学反应生成挥发性物质,达到刻蚀目的。由于在低温(50~200℃)等离子刻蚀中,离子动能小,主要是活性物质(活性基)的化学反应,几乎无轰击作用。另外,因等离子体中的活性物质自由程较小,可认为到达欲刻蚀面上各处离子的碰撞概率大致相同,因而刻蚀各向同性。由于刻蚀的核心是化学反应(只是不涉及溶液的气体状态),因此刻蚀的效果和湿法刻蚀有些相近,具有较好的选择性,但各向异性较差。

对这两种极端过程进行折中,得到目前广泛应用的一-些物理化学性刻蚀技术。例如,反应离子刻蚀(RIE)和高密度等离子体刻蚀(HDP)是在等离子刻蚀基础上发展起来的一种刻蚀方式,在比等离子刻蚀更低的压力(1.3-130Pa)下进行,反应气体通过放电产生各种活性等离子体,靠射频溅射使活性离子做固有的定向运动,既获得高选择比,又产生各向异性刻蚀,同时活性离子在电场作用下破坏了被刻蚀物质的原子键及清除了反应面上的生成物或聚合物,因而加速了化学反应过程。这种刻蚀既有化学作用又有物理作用,有良好的刻蚀效果,同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前,RIE已成为超大规模集成电路制造工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。

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